¿Por qué ciertas lunas tienen su período de rotación igual a su período orbital?

La respuesta a esto es ciertamente las fuerzas de marea, pero eso no explica el mecanismo exacto de cómo las fuerzas de marea dan como resultado el bloqueo de marea , es decir, un cuerpo en órbita que muestra la misma cara que el cuerpo central mientras orbita debido a la velocidad de rotación y la revolución. tasa siendo igual. Describiré este mecanismo utilizando el sistema Tierra-Luna para poder ser específico, pero se aplica igualmente a cualquier sistema.

Para empezar, las fuerzas de marea son el resultado de fuerzas gravitatorias diferenciales a lo largo de la masa distribuida de un cuerpo. La Luna no es una masa puntual, tiene un tamaño extendido. La fuerza de gravedad sobre la Luna por parte de la Tierra depende de la distancia (como lo es la fuerza de gravedad para cualquier cosa). Lo que esto significa es que en el lado de la Luna que mira hacia la Tierra, la fuerza de la gravedad es más fuerte y, a medida que avanzas a través de la Luna hacia el lado opuesto a la Tierra, la fuerza de la gravedad se vuelve más débil. Esto significa que el lado de la Luna que mira hacia la Tierra es atraído más fuerte y más cerca de la Tierra, mientras que el lado opuesto a la Tierra, mientras sigue siendo atraído hacia la Tierra, no es atraído con tanta fuerza ni tan cerca. En última instancia, esto da como resultado que la Luna se deforme .de manera que se vuelve ligeramente achatado y estirado en dirección a la Tierra. Esta flexión de la superficie se conoce como mareas.

Ahora supongamos que la Luna actualmente no está bloqueada por mareas con la Tierra y, de hecho, gira un poco más rápido de lo que orbita. La Tierra está causando mareas en la Luna y la Luna está girando sobre su eje. Las mareas, causadas por las fuerzas de marea, quieren permanecer alineadas con la línea Tierra-Luna ya que esa es la dirección en que se aplican las fuerzas de marea. Sin embargo, se necesita tiempo y mucha energía para deformar la Luna. Una vez que la Luna se deforme, girará y tratará de arrastrar esa deformidad de la marea junto con ella, moviendo efectivamente la protuberancia de la marea por delante de la línea Tierra-Luna. La Tierra todavía está aplicando la fuerza de la marea a lo largo de esa línea Tierra-Luna para tratar de volver a alinear la protuberancia de la marea. Esta fuerza constante que trata de hacer retroceder la protuberancia de la marea (o adelantarla si la Luna gira demasiado despacio) permite una transferencia de impulso para ralentizar la Luna (o, de nuevo, acelerarla si es demasiado lenta). El punto principal aquí es que el bloqueo de las mareas es un estado de equilibrio porque si la Luna está girando demasiado lento o demasiado rápido, la Tierra que intenta atraer la protuberancia de las mareas hacia la línea Tierra-Luna cambiará la velocidad de rotación de la Luna hasta que se convierta en una marea. bloqueado. Una vez que esté bloqueada por mareas, esa protuberancia de marea siempre estará a lo largo de la línea Tierra-Luna y esta fuerza desaparecerá. la Tierra tratando de jalar la protuberancia de la marea hacia la línea Tierra-Luna cambiará la velocidad de rotación de la Luna hasta que se bloquee la marea. Una vez que esté bloqueada por mareas, esa protuberancia de marea siempre estará a lo largo de la línea Tierra-Luna y esta fuerza desaparecerá. la Tierra tratando de jalar la protuberancia de la marea hacia la línea Tierra-Luna cambiará la velocidad de rotación de la Luna hasta que se bloquee la marea. Una vez que esté bloqueada por mareas, esa protuberancia de marea siempre estará a lo largo de la línea Tierra-Luna y esta fuerza desaparecerá.

Sin embargo, eso cubre aproximadamente la mitad de la respuesta. Al intentar fijar la marea a la Luna con la Tierra, debe considerar dos períodos de tiempo. El primero, discutido en el párrafo anterior, es el tiempo de rotación de la Luna alrededor de su eje. El otro es el tiempo de revolución de la Luna alrededor de la Tierra. Ambos deben coincidir. El párrafo anterior describía cómo podría verse afectado el tiempo de rotación de la Luna alrededor de su eje, pero también hay una forma de afectar el tiempo de revolución de la Luna alrededor de la Tierra. Afortunadamente, esto es por un mecanismo casi idéntico al anterior. En efecto, la Luna también provoca protuberancias de marea en la Tierra y dado que la Tierra está girando, estas protuberancias de marea no estarán directamente alineadas con la línea Tierra-Luna. Esta protuberancia de marea no alineada en la Tierra actúa para transferir energía a la velocidad orbital de la Luna, haciendo que se acelere o disminuya la velocidad. Por cierto, a través de la conservación del momento angular, esto necesariamente hace que la Luna se aleje de nosotros a un ritmo pequeño pero persistente.

En resumen, las fuerzas de las mareas causan el bloqueo de las mareas, pero sucede a través de fuerzas intrincadas y lentas durante un largo período de tiempo que afectan tanto la velocidad orbital de la Luna como la tasa de rotación hasta que se encuentra un equilibrio. Ese equilibrio es el bloqueo de marea.

La respuesta simple es: fuerzas de marea, que son un efecto secundario de la gravedad. De la misma manera que la Luna provoca las mareas bajas y altas de los océanos aquí en la Tierra, la Tierra también tiene un efecto similar en la Luna.

La fuerza es del mismo origen, aunque mucho más fuerte debido a la masa de la Tierra. Estas fuerzas de marea provocan un torque en la rotación de la Luna y es por eso que solo muestra la misma cara a la Tierra.

Dato curioso, Plutón y su única luna, Caronte, muestran solo una cara durante su órbita debido a la fuerza de las mareas. Además, las fuerzas de las mareas también están ralentizando la rotación de la Tierra.